[인상깊은 문구]뉴턴 – 사과는 왜 땅으로 떨어지는가

<<뉴턴 – 사과는 왜 땅으로 떨어지는가>>

시공 디스커버리 총서

장-피에르 모리 Jean-Pierre Maury

김윤 옮김

㈜ 시공사

초판 1쇄 발행 1996년 5월 20일

초판 7쇄 발행 2004년 12월 31일

제 1장 아이작 뉴턴의 휴가

P11 – 1665년 여름, 끔찍한 전염병이 창궐하자 케임브리지 대학은 문을 닫고 학생들과 교수들을 집으로 돌려보냈다. 이들 중에서 막 학사학위를 받은 청년 아이작 뉴턴이 있었다. 그는 평화롭고 조용한 곳을 찾아 고향인 영국의 시골로 떠났고, 그곳에서 1년을 보냈다. 이 시기에 풍성한 발견들이 이루어졌고, 따라서 후세 역사가들은 이때를 ‘기적의 해’라고 부른다.

P12 – 뉴턴이 독서, 실험, 단상 들을 공책에 기록하기 시작한 1664년부터, 그가 이미 갈릴레이의 <<두 개의 세계에 대한 대화>>, 르네 데카르트의 <<기하학>>, 그리고 요하네스 케플러의 저작 – 특히 빛에 관한 연구와 관련된 – 을 신중히 연구하고 이었음을 알 수 있다.

P17 – ‘백색’ 태양광선은 여러 빛깔을 띤 광선의 혼합물이고 이것들은 프리즘을 통과할 때 각각 서로 다른 정도로 굴절한다는 것이었다.

P18 – 태양광선이 단색광의 집합이라는 사실은 5년 동안이나 발표하지 않았지만, 그보다 더 결정적인 발견은 (만유인력) 그 후 20년 동안이나 공표되지 않았다.

제 2장 근대 천문학이 탄생

P29 – 1667년, 유럽의 많은 과학자들은 파리에서 활발한 활동을 벌였다. 파리 천문대가 건설되면서 파리는 가장 활발한 천문학 연구 중심지가 되었다.

프랑스 과학 아카데미 -> 지구 둘레, 태양과 지구 사이의 거리, 빛이 속도 측정

제 3장 반사망원경에서 중력으로

P57 - 라이프니츠는 독일의 탁월한 수학자였을 뿐만 아니라 철학자, 신학자, 역사가, 법률가였다. 그와 뉴턴은 각각 미분법을 개발했다. 하지만 일반적으로 라이프니츠의 방법이 채택되었다.

제 4장 마침내 만유인력!

P77 – 핼리는 오늘날 관점에서 보면 지구물리학자였다. 그는 지자기, 조수, 기류에 관련된 놀랄 만한 연구를 수행했고, 기상학적 현상 연구에서 중대한 발전을 이루었다. 태양열이 변화에 따라 공기 층의 수직운동이 일어나고 이로써 무역풍이 발생한다는 사실을 처음으로 설명한 사람도 그였다. 물의 순환-증발, 구름의 형성, 강우, 강, 대양, 증발 – 도 핼리의 발상이었다. 그래서 그는 열전도가 지구물리학에서 중심적인 역학을 하고 있다고 생각한 최초의 사람이 되었다.

P80 – 갈릴레이가 죽고 나서(1642) 물 펌프가 과학적 논쟁의 초점이 되었다. 물 펌프의 작동원리는 아리스토텔레스 적인 오래 된 개념인 진공을 싫어하는 자연으로 설명해야 할 것인가, 아니면, 갈릴레오의 조수인 에반젤리스다 토리첼리의 주장대로 기압으로 설명해야 할 것인가?

P81 – 그는 중력이 야기하고 전달하는 동인이 무엇인가에 관해서 <<프린키피아>>에서는 가능한 한 언급을 회피했다.

제 5장 승리에 승리를 거듭하다

P83 – 중력이론으로 과학자들은 지구의 양극이 평평하고, 핼리 혜성이 다시 나타나며, 새로운 행성이 존재한다는 예견을 할 수 있었다. 이 모든 것들이 150년안에 사실로 밝혀졌다.

P104 – 아마추어 천문학자 윌리엄 허셜 – 전문 음악인(낮), 천문학자(밤), 거울제작자(구름낀방)

천왕성 – 우라누스는 고대 그리스 신화에서 ‘하늘’이었다.

P123 – “그는 천성적으로 소박하고 온화했으며, 언제나 자신을 평범한 사람들의 수준에 놓았다. 다른 이들은 심지어 자신들보다 위에 있는 사람도 경멸하지만, 이 일등급 천재는 결코 자기 아래 사람들을 무시하지 않았다. 그는 자신의 업적이나 명성이 모든 평범한 일상생활의 의무들로부터 면제됨을 의미한다고는 생각하지 않았다. 그는 선천적이든 후천적이든 결코 특이하지 않았다. 그는 단지 평범한 한 사람이 어떻게 행동하는지를 알고 있었다.” - 1727년 뉴턴 사망 후 프랑스 과학 아카데미의 서기인 베르나르 르 보비에 드 퐁트넬의 조사 중

[인상깊은 문구]밤의 물리학

<<밤의 물리학>>

다케우치 가오루

꿈꾸는 과학 옮김

㈜사이언스 북스

1판 1쇄 찍음 2008년 10월 22일

1판 1쇄 펴냄 2008년 10월 31일

평가:  편하게 읽기 좋은 책, 전문적 지식보다는 발상의 전환을 생각해볼 수 있는 계기를 제공하는 것 같다.

제 0장 나이트 사이언스

나이트 사이언스: 갑자기 번득이는 아이디어로 논리를 찾아보기 힘든 생각을 출발점 삼아 연구를 시작하는 경우도 많다.

제 1장 우주론 여행

P37 “뉴턴 역학은 상대성 이론의 근사이다. (뉴턴 역학은 양자역학의 근사이기도 하다.) … 초끈이론의 저에너지 상태 근사를 구하면 아인슈타인의 이론이 나온다.”

P52~P53 “뉴턴의 사과 이야기만큼이나 이 일화도 사실 여부가 불확실하다. 아무래도 <조지 가모브 물리 열차를 타다> 시리즈로 유명한 (사실은 대폭발 이론을 제창한 것으로 더 유명한) 조지 가모브가 자서전에 이 일화를 실었는데, 이 책 때문에 일생일대의 실수를 한탄하는 아인슈타인의 이미지가 세상에 널리 퍼진 게 아닐까 한다.

사실 아인슈타인이 남긴 문헌에는 이러한 문구가 아니라 좀더 학술적인 문구, “앞으로 관측 데이터가 정밀해지면 우주 상수의 부호와 크기를 결정할 수 있을 것이다.”만 있다.

단지아인슈타인이 벨기에의 신부이자 우주론 학자였던 조지 르메트르(Georges Lemaitre)에게 보낸 편지에 우주 상수를 넣었던 것을 다음과 같이 후회하는 내용은 있다.

“이렇게 추악한 일이 이 우주에 일어나고 있다는 사실을 믿을 수 없었습니다.”

-       호두껍질 우주에 대한 책을 읽어보자

-       아서 스텐리 에딩턴 수비술 -> 디랙 거대수 가설 알아보자

제 2장 현대 물리학 여행

(P120) 초끈 이론 핵심: “우주를 구성하고 있는 소립자는 그보다 더 작은 끈의 진동 상태”

-       (P121) 전하가 서로 가까워질수록 작용하는 힘은 커진다. 만약 두 전하 사이의 거리가 0이 되면 어떻게 될까? 무한대가 된다! 중력의 법칙 역시 이 무한대의 문제를 갖고 있다.

현대 물리학에서는 이 무한대의 문제가 아주 중요하다. 초끈 이론의 발상은 여기에서 나온다. 전하를 크기가 없는 점입자라고 보는 것이 문제이니, 점을 잡아 늘여선(=끈)으로 만들면 문제가 해결되지 않을까? 바로 이러한 생각이 초끈 이론의 출발점이다.

(P126) 호킹: “양자 우주론에서 인류 원리는 필수적이다. 만약 인류 원리가 존재하지 않는다면 우리는 왜 11차원과 같은 다른 차원이 아니라 4차원에 살고 있는 것인지 대답할 수 없다. 인류 원리는 2차원 공간 같은 단순한 공간은 지적 생명체 같은 복잡한 구조물에는 충분하지 않다고 대답한다. 한편 공간이 4차원 이상이라면 중력과 전자기력이 역제곱보다 빠르게 약해진다. 이러한 물리 법칙의 지배를 받는 우주에서 행성은 별의 주위를 안정적으로 돌지 못하고 전자 또한 원자핵의 주위를 안정적으로 돌지 못한다. 따라서 우리와 같은 지적 생명체는 4차원에 존재할 수밖에 없다. 나는 인류 원리 이외의 다른 설명을 생각할 수 없다.”

P128 중력과 거리의 관계에 따른 행성의 공전 궤도

제 3장 과학자도 인간인걸

물리학자

1.     실재주의: 물리학 수식의 배후에는 어떠한 물체가 실재한다. 물리학이란 이 실재를 밝히는 것이다.

2.     실증주의: 물리학의 수식은 실험을 해석하기 위한 것에 지나지 않는다. 물리학은 실재를 논할 수 있는 학문이 아니다.

-       존 호건 – 과학의 종말 읽어보자

[인상깊은 문구]교양인을 위한 노벨상 강의

<<교양인을 위한 노벨상 강의>>

야자와 사이언스 연구소

강신규 옮김

발행처: 김영사

1판 1쇄 인쇄 2011.11.16

1판 1쇄 발행 2011.11.23

CH1 우주 탄생의 비밀에 다가간 ‘자발적 대칭성 파괴’

난부 요이치로: “1960년대 초 소립자 물리학에서 ‘대칭성 깨짐’이 자발적으로 일어날 수 있음을 수학적으로 설명하는 이론을 처음으로 제시하였다. ‘대칭성 깨짐’은 오늘날 우주와 인간이 존재할 수 있는 근거이다. 빅뱅 직후 모든 것은 대칭을 이루어 물질과 반물질, 입자와 반입자가 똑같이 존재하면서 서로 충돌하여 소멸하였는데, 어느 순간 이러한 대칭성이 꺠지면서 반물질과 반입자가 사라진 결과 물질과 입자로 이루어진 우주가 존재할 수 있게 된 것이다. 그의 연구를 발판으로 과학자들이 모든 입자의 질량을 결정하며 대칭성을 깨뜨리는 원인으로 지목되는 힉스(Higgs)입자를 파악할 수 있었다. 2008년 현대 입자물리학의 중심 개념인 ‘대칭성 깨짐’을 수학적으로 정리한 공로를 인정받아 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.” (출처: 네이버 두산 백과)

CH2 우주에 물질은 왜 존재하는가? CP 대칭성 파괴에 대한 해답

“C는 charge conjugation(하전공액변환)의 약자로, 간단히 말하면 입자(정입자)를 반입자로 반전하는 것이다. 여기서 플러스와 마이너스 전하를 지니는 입자쌍, 예를 들면 양성자와 전자가 있다고 하자. 양성자와 전자는 전자기력에 의해 서로 당기고, 전자는 양성자 주위를 회전한다. 여기서 만약 양성자와 전자의 전하를 바꿔넣어도 전하의 크기가 변하지 않는 한 그 관계는 달라지지 않는다. 이와 같이 전하를 교환해 입자를 반입자로 바꾸는 조작(하전공액변환, C변환)을 해도 변하지 않는 성질을 ‘C 대칭성’이라고 부른다.

  반면 P는 ‘패리티변환(우기변환)’에 의한 대칭성, 즉 ‘P대칭성’을 의미한다. 이는 앞에서 예로 들었던 물리현상을 거울에 비춰 뒤집어보아도 그 성질이 변하지 않는 대칭성, 즉 공간반전의 대칭성이다. 이와 관련해 패리티Parity라는 말은 다양한 분야에서 이용되는데, 모두 동등.등가.균일 등의 의미를 포함하고 있다.” (P40)

중력과 전자기력에 대해서는 (거시적 영역에서는) CP 대칭성이 예외가 없는 공리로 인식되었으나, 약력과 핵력의 존재를 알고부터 (미시적인 원자와 소립자 영역) 의문이 제기 되었다.

고바야지 & 마스카와가 1972년에 제출

-       <<CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction>>

-       우주의 물질을 구성하는 기본적인 구성요소는 여섯 종류의 쿼크와 경입자라는 사실, 새로운 쿼크가 지닌 양자수에 의해 우주의 대칭성에 본진적으로 파괴가 일어난다는 사실이 밝혀졌다. (P52)

CH3 거대 자기저항 발견이 초래한 기술 혁신

요약: 페르와 그륀베르크는 (2007년 노벨상수상자) 개별적인 방법으로 거대자기저항(GMR, Giant Magneto Resistance)를 개발하게 되었다. 그들의 기술은 데이터 저장과 관련이 있는데 HDD의 AMR 판독헤드를 GMR 판독헤드로 바꾸면서 용량의 크기를 대폭 늘릴 수 있게 되었다.

CH4 초저온과 초유동의 양자역학적 세계

요약: 물이든 금속이든, 모든 물질에는 점성(흐름에 저항하는 성질, 점착력)이 존재한다. 점성이 전혀 없는(제로인) 상태를 ‘초유동superfluidity’이라고 하는데, 이런 특별한 성질은 그때까지 헬륨 4에만 존재하는 것으로 알려져 있었다.

초유동 헬륨4는 아무리 작은 틈이라도 빠져나갈 수 있다. 약한 불로 구운 컵에는 육안으로는 보이지 않는 미소한 구멍이 무수히 나 있는데, 물이나 맥주 같은 액체를 넣어도 새지 않는 것은 이들 액체에도 점성이 있기 때문이다. 그러나 초유동 헬륨4를 컵에 넣으면 마치 소쿠리에 물을 담은 것처럼 무수한 구멍을 지나 바깥으로 흘러나온다. 또한 비커에 초유동 헬륨4를 넣으면 얇은 막이 되어 비커의 안쪽 면을 따라 올라가 바깥쪽으로 넘친다.

헬륨4가 초유동 성질을 나타내는 것은 그 원자가 보스입자이기 때문이다. 보스입자는 여러 개가 하나의 양자상태(quantum)를 공유할 수 있다. 그리고 극저온이 되면 모든 입자가 최저에너지 상태로 변한다. 이때 헬륨4는 수많은 입자가 동일한 보조로 움직이면서 마치 하나의 입자처럼 행동한다.(초유동은 보스-아인슈타인 응축의 한 형태다.)

반면 헬륨3은 페르미입자이며, 하나의 양자상태로 변하는 입자는 언제나 한 개다. 때문에 당초 헬륨 3에는 초유동 성질이 존재하지 않는다고 여겨졌다.

그런데 1957년 BCS이론(초전도 구조에 관한 이론)이 등장하자 그런 인식이 바뀌었다. BCS이론은 페르미입자인 전자가 두 개로 쌍(쿠퍼쌍)을 만들고, 그것이 보스입자로 움직임으로써 전류가 금속 내부를 전혀 저항을 받지 않고 흐르는 초전도상태가 발생한다고 주장했다. 말하자면, 전자의 초유동성이었다.” (P92)

“헬륨3 쌍은 전자의 쿠퍼쌍과는 다르며, 관찰하는 방향에 따라 성질이 다른데, 그런 현상은 원자의 궤도와 스핀의 대칭성 파괴에 의해 발생한다는 것이었다.” (P93)

CH5 중성미자천문학 탄생을 향한 거대한 전진

요약: “SN1987A는 단지 초신성이 인간에 의해 오랜만에 관측되었다는 데에만 의미가 있지 않았다. 그 후 천문학자들은 중성미자천문학이라는 전혀 새로운 과학영역에 발을 내디디게 되었다. 즉, 1987년 2월 23일 오전 7시 35분 광학망원경에 의해 그 초신성이 관측되기 세 시간 전에 초신성이 폭발하면서 방출된 중성미자 소나기가 지구를 관통해 미국과 소련 등에서 중성미자 몇 개가 관측된 것이다.

중성미자는 전하를 지니지 않고 질량도 제로라고 추측할 만큼 작으며, 그래서 다른 물질과 거의 상호작용을 일으키지 않는다. 하지만 양성자 및 중성자에 10^-15센티미터 이하 되는 거리까지 접근했을 때에는 양성자와 중성미자 사이에 ‘약한 상호작용’이 이루어진다. 약한 힘만 작용하는 중성미자는 우주공간에서 별 및 혹성 등의 거대한 물질과 충돌해도 전혀 저항을 받지 않고 유령처럼 빠져나간다.” (P103~P104)

태양에서 핵융합반응으로 꾸준히 중성미자를 방출한다. 1초마다 1제곱센티미터당 660억개의 밀도로 방출한다. 고시바 마사토시는 미국의 데이비스 2세, 지아코니와 함께 우주에서 날아온 중성미자와 X선을 처음으로 관측한 공로로 2002년 노벨 물리학상을 받았다. 그는 중성미자 천문학을 창시한 일본의 천체물리학자이다.

“중성미자는 질량이 제로가 아니며, 매우 작지만 질량을 지니고 있다는 것, 그리고 중성미자의 기본단위가 복합입자임이 밝혀졌다. 이런 연구 성과는 모두 고시바가 주도하는 연구팀이 가미오칸데와 슈퍼가미오칸데를 이용해 성취한 것이었다.” (P118)

CH6 차갑게 더욱 차갑게, 한없이 차갑게 극저온 연구의 전망

요약: 2001년 두 명의 미국 물리학자 에릭 코넬(Eric Cornell)과 칼 위먼(Carl Wieman) 그리고 독일인 물리학자 볼프강 케테를레(Wolfgang Ketterle)가 ‘알카리원소 희석 기체에서 보스-아인슈타인 응축(BEC, Bose-Einstein Condensation) 실현 및 응집체 성질에 대한 기초연구’로 노벨상을 수상하였다. (P121)

CH7 집적회로 발명이 이끈 21세기의 기술

요약: “노벨 위원회는 2000년도 노벨 물리학상 수상자로 ‘기초과학과 응용 기술의 관련성’이라는 관점에서 기술개발에 가장 공헌한 연구자 세 사람을 선정했다. 미국인 물리학자 잭 킬리(Jack St. Clair Kilby), 러시아인 물리학자 조레스 알페로프(Zhores Alferov), 독일계 미국인 물리학자 허버트 크뢰머(Herbert Kroemer). 킬비는 집적회로 발명을 인정받아 상금의 절반을 받았고, 나머지 두 사람은 반도체 헤테로구조 개발을 인정받아 각각 4분의 1을 받았다.” (P168)

“양자물리학이 대두한 1920년대는 ‘이론물리학의황금시대’였으며, 1950 ~ 1960년대는 고체물리학의 성과를 통해 반도체 시대를 열게 되는 ‘응용물리학과 응용공학의 전성기’였다. (P168~P169)

CH8 고온초전도의 미래에 대한 약속

요약: “저온물리학은 순식간에 물리학 연구에서 중요성을 띠게 되었다. 물질의 성질은 우리가 알고 있는 상온 및 고온에서와는 달리 매우 낮은 온도에서 전혀 이질적으로 변화한다는 사실이 규명되었기 때문이다.” (P194) ‘세라믹 초전도체 발견을 이끈 중요한 약진’(P210)

저온물리학 발전사

1.     시작: “카메를링 오너스는 수은의 순도가 매우 높은 전선을 이용해 점차 온도를 낮추면서 수은의 저항 변화를 측정했다. 절대온도 4.2K에서 갑자기 전기저항이 사라졌다.” (P195~196)

2.     독일의 물리학자 발터 마이스너(Walter Meissner)와 로베르트 옥센펠트(Robert Ochsenfeld)가 초전도체에서 전자유도가 발견하지 않는다는 것을 발견했다. 이를 마이스너 효과라고 한다.

3.     이후 몇 십년 동안 초전도성 금속과 합금, 그리고 화합물을 발견.

1)     1941 16K(영하 257℃) – 질화나이오븀(NbNi)

2)     1953 17.5K – 바나듐실리콘(Vanadium-Silicon alloy)

3)     “1962년이 되자 미국 웨스팅하우스의 물리학자와 기술자가 실용성이 있는 최초의 초전도전선으로 나이오븀과 티타늄 합금(니오브-티타늄합금)을 개발했다.

4.     “1986년 초 두 사람은 마침내 혁신적인 물질을 발견했다. 그들은 화학적으로 안정된 세라믹스를 만들기 위해 란탄-구리 산화물에 바륨을 첨가했다. 이 바륨-란탄-구리 산화물은 당시 초 전도현상을 일으킬 수 있는 임계온도로 알려져 있던 온도보다 12K나 웃도는 35K(영하 238℃)에서 초전도상태를 실현했다. 역사상 최초로 ‘고온’ 초전도체를 발견한 것이다.”(P208)

5.     “폴 추가 경이적인 93K(영하 180℃)에서 초전도상태를 실현”(P209)

고온초전도에 대한 이론이 존재하지 않는다. 뮐러와 베드노르츠가 발견한 세라믹이 나타내는 고온초전도현상에 관한 메커니즘도 아직 이해되지 않고 있다. (P211)

CH9 워크보손을 발견한 ‘거대과학’ 연구자

카를로 루비아(Carlo Rubbia) – ‘약한 상호작용을 매개하는 W입자와 Z입자를 발견한 실험프로젝트에서의 결정적인 공헌’

SPS(Super Proton Synchrotron 슈퍼 양성자싱크로트론) 양성자 가속기를 양성자-반양성자 충돌 가속기로 바꾸는 것을 이끌어 워크보손을 찾았다.

CH10 스타더스트, 무거운 원소는 어떻게 생성되는가?

1983 윌리엄 파울러(Willia Alfred Fowler) –‘우주에서의 화학원소 생성과 핵반응의 중요성에 관한 이론적 및 실험적 연구’

B²FH: Margaret Burbide, Geoffrey Burbide, Willia Fowler, Fred Hoyle

“빅뱅 초기 생성된 원소 대부분은 우주 가시물질이 99퍼센트 이상을 점하는 수소와 헬륨이었으며, 소량의 리튬 동위체였다.” (P249) 호일은 주기율표의 철까지는 별 내부에서 생성된다는 것을 발표했다. “베테, 호일, 가모프 등의 과학자들은 원소가 어떻게 생성되는지에 대한 의문에 이론적으로 대처했지만, 켈로그연구소의 연구원들은 실험을 통해 그 의문을 규명하는데 기여했다.”(P251)

CH11 백색왜성과 블랙홀을 둘러싼 인도인 물리학자의 투쟁

“찬드라는 백색왜성에 ‘임계질량,’ 즉 백색왜성이 스스로의 중력을 견디지 못하게 되는 질량의 한계가 있음을 발견했다. 별이 임계상태에 이르면 축퇴압 때문에 스스로 중력을 지탱하지 못하게 되어 ‘중력붕괴’를 일으킨다. 임계질량은 태양의 질량보다 약 1.4배 큰 것으로 계산되었는데, 이는 나중에 ‘찬드라세카르 한계’라고 명명되었다.” (P257/279)

[인상깊은 문구]상대성 이론과 아인슈타인 이야기

<<상대성 이론과 아인슈타인 이야기>>

황원삼, 임정권 공저

펴낸곳: 도서출판 일진사

2008년 1월 10일 인쇄

2008년 1월 15일 발행

CH1 과 에너지 기술

-          광압  +  →  

Ø  광압: 레베데프(Lebedev, Sergei Vasilievich, 1874.07.25 ~ 1934.05.02, 러시아 화학자)

-       에너지 변화효율 ‘ε’

핵분역, 핵융합, 태양에너지, 양자 블랙홀 에너지, 소립자 소멸에너지

CH2 빛의 본성과 레이저 기술

일반 광: 통일된 규칙이 없어서 복사한 광자는 앞뒤가 다르며 파장도 부동하고 전파 방향이 일치하지 않아 사면팔방으로 비친다. 물리학에서는 자발 복사에 의해 생성한 빛을 비간섭 광이라 한다. (P43)

레이저: 충격 복사에서 생성된 광자는 주파수, 진동수, 방향과 전파 방향이 유발광자와 모두 같다.

레이저의 장점: 방향성, 밝음, 단색성, 간섭성

레이저 기계 = 레이저 작동 물질 + 광학공진강 + 충격원

CH3 상대성 이론과 과학혁명

고전 물리학 = 뉴턴역학 + 전자기 이론

‘마이컬슨-몰리,’ ‘흑체복사,’ ‘광전효과’를 고전 물리학으로 설명할 수 없었다.

현대적 의미에서 보았을 때 고전 물리학은 틀린 것 이 아니라 ‘어떤 한계 내에서’ 유용한 근사치(P64)

특수 상대성 이론

1.     광속불변 -> 광속이 새로운 절대적 개념 -> 에테르 필요성 제거

2.     상대성 원리 -> 물리법칙의 절대성

è  특수 상대성 이론은 모든 것이 상대적이라는 것을 말하기 보다 오히려 이 이론은 절대적인 것을 올바로 다루는 법을 이야기하고 있다. (P66)

è  고전 물리학의 기본이 되는 절대 시간과 절대 공간 무시

1905년에 발표한 아인슈타인의 ‘특수 상대성 이론’은 등속으로 움직이는 관성 좌표계에만 적용되기 때문에 ‘특수’라는 한정된 단어가 붙지만, 1916년 아인슈타인은 관성 좌표뿐만 아니라 가속 운동을 하는 비관성 좌표계에도 상대성 이론을 적용시켜 ‘일반 상대성 이론’을 제거 하였다.

일반 상대성 이론

1.     만유인력의 법칙 -> 중력질량 = 관성질량

2.     임의의 두 좌표계에서 물리학의 가장 기본적인 법칙은 동일한 수식형태로 기술된다.

아인슈타인의 증거

1.     수성 궤도가 태양에 가까울 때 생기는 진동 현상

2.     빛이 중력장에서 옆으로 휘어져 광선은 굴곡되고 직선은 아니라는 것

3.     빛의 스펙트럼 선이 인력에 의해 붉은 쪽으로 움직인다는 것

CH4 상대성 이론과 우주공학

제 1 우주속도 7.9km/s – 지구 인력에서 벗어나기 위한 최저 속도

제 2 우주속도 11.2km/s – 지구 중력장 범위를 벗어남

나중에 다시 읽어 보자:

“소립자 물리학에 속하는 ‘게이지 이론(gauge theory)’에 의하면 물질의 질량은 과거 우주에서 일어난 상전이 시기 힉스 입자가 각종 소립자에게 삼켜질 때 생긴 것이라 한다. 때문에 질량을 소멸하려면 우주 역사의 초기 힉스 기구 작동 전의 상태를 그 어떤 형태로 재현시켜야 한다. 그러나 또 다른 방법으로 현재의 우주에 자연적으로 존재해도 이상하지 않은 ‘마이너스 질량’ 이 존재한다면, 즉, 질량의 차원에서 부호가 ‘-‘인 물질로 생각하는 마이너스 질량에 의해 플러스 질량을 소멸하는 방안도 생각해 볼 수 있다.

  질량의 기원에 관해 현대적으로 접근한 연구는 실질적으로 1954년 중국계인 미국의 양전닝(Yang Zhenning, 1922~) 교수 등에 의해 ‘일반 게이지 이론’이 발표되면서 시작되었다. 게이지 이론이란 소립자들의 상호작용 중 반응 전.후 계통의 양자수(전하, 바리온(baryon)수, 스핀(Spin) 등)가 변하지 않는다는 ‘게이지 대칭성’을 보존하는 상황에서의 상호작용을 서술한 이론이다. 이 이론의 원형은 1920년 독일의 한 과학자에 의해 제기되었으나 양전닝 등에 의해 소립자 상호 작용의 일반에까지 확장된 이론이다.

  이 게이지 이론에서는 소립자 사이에 교한되는 게이지 입자(게이지 장을 양자화한 것)가 질량을 가져서는 안 된다고 했다. 그것은 전자 상호 작용에 있어서 전자기 마당을 매체로 하는 광자인 것이다. 그러나 원자핵 내부의 극히 짧은 거리에서만 작용하는 ‘약 상호작용’을 매체로 힉스 입자는 양자(프로톤)의 100배에 비슷한 질량을 가진다.

  이 문제에 대해 일부 학자들은 ‘힉스 장(Higgs field)’이라 부르는 진공의 새로운 마당을 도입해 ‘고 에너지의 진공 대칭성이 자발적으로 파괴되어 새로운 구조(상호작용의 형태와 새로운 입자)가 생겨날 때 양자화 된 힉스 입자가 게이지 입자에 삼켜져 질량을 가진다.’ 라는 아이디어를 제창했다. 이 메커니즘을 현재 ‘힉스 기구(Higgs mechanism)’라 부른다.

  실제 우주의 과거 역사에 관해 때때로 상전이가 생겨서 새로운 구조가 생겨나는 때에 힉스 시구가 작동해 새로운 소립자에 질량 에너지를 준다고 보는 것이 지금의 기본 인식이다.” (P96~97)

CH5 현대 우주론 (설)

뉴턴 우주관 → 올버스의 패러독스, 인력현상 설명 필요

스펙트럼 선의 적색편이 -> 우주 팽창 -> 빅뱅

CH6 양자론과 아인슈타인

흑체는 원소에서 나오는 선 스펙트럼과는 전혀 다른 연속 스펙트럼을 방사한다. (P125)라는 사실사부터 입자설이 시작되었고 플랑크에 의해 문제가 해결되었다.

1900년 12월 14일 양자론 탄생

양자역학 창립과정

1.     보어 – 하이젠베르크

2.     아인슈타인 – 드브로이 – 슈뢰딩거

1965년 미국의 벨이 제출한 벨의 부등식은 양자역학의 정역성이 파괴됨을 증명하였고 이런 양자역학의 정역성 파괴는 양자역학과 상대성이론 사이의 충돌을 나타내고 있다.

CH7 통일장 이론과 미래과학

1922년 아인슈타인은 처음으로 통일장 이론에 관한 논문을 쓴 후 33년이란 긴 시간 줄 곧 이 연구를 진행하였다. (P135) 그리고 현재 알려진 초끈이론은 현재 존재하는 4가지의 힘을 합칠 수 있는 대안이다.

인상 깊은 문구:

1.     아인슈타인은 일반상대성 이론을 발표한 20년 후 어느 날 다음과 같은 이야기를 하였다. “내가 특수 상대성이론을 발견하지 않았어도 그 어느 땐가 반드시 다른 사람이 발견할 것이다. 그러나 일반상대성 이론은 그렇지 않다.”

2.     아인슈타인 좌우명: ‘진리에 대한 추구는 진리를 점유하는 것보다 더 고귀하다.’

3.     물리학자들은 오직 속도가 빛보다 매우 작은 현상을 분석할 때 양자역학이 유효하다는 것을 발견하였고 특수 상대성이론을 결합할 때 양자역학은 벽에 부딪혔다.

CH8 긴 역경속의 아인슈타인

호기심이 많은 아인슈타인 / 유치하더라도 과학 논문을 쓴 용기 /

아인슈타인은 대학 4년의 생활을 자기의 자서전에서 아래와 같이 썼다. "1896 ~ 1900년간 취리히 연방공과대학교의 사범학과에서 공부하였다. 나는 내가 중간 정도 성적의 학생이 되면 만족하다는 것을 발견하였다. 우수 학생이 되려면 반드시 학습내용을 쉽게 이해하는 능력을 가져야 하고, 아무런 불평도 없이 선생님이 가르쳐 준 내용을 외워야 하며, 질서를 지키고 강의를 제때에 필기하며 제때에 숙제를 해야 한다. 나는 이런 규칙적인 생활에 잘 적응이 안되는 것을 발견하였다. 나는 교수들에게는 미안했지만 자유로운 생확을 하며 나 스스로 나의 학구열과 흥미에 맞는 공부를 하였다."

CH9 위대한 평화전사

미국의 핵 개발: 페르미 -> 미국 해군부 (독일 핵) -> 이해 못함 -> 질라트(Szilard)가 아인슈타인에게 말함 -> 아인슈타인이 루즈벨트 대통령에게 말함 -> 맨하탄 계획

명예, 돈을 추구하지 않고 오로지 학구적 연구만을 자유로운 연구환경만을 찾았던 아인슈타인

CH10 뉴턴과 아인슈타인

공통점

1.     연구분야는 물리학, 이론연구

2.     연구는 맥을 이었고 광학으로 명성을 얻음 (뉴턴 = 반사 망원경)

3.     수학을 응용한 이론상의 연구

4.     우주관 확립에 획기적인 공헌

5.     과학연구에서의 연구태도는 꾸준한 노력과 끝없는 집착

6.     실사구시한 학풍과 겸손한 태도

오직 진리 탐구를 자기의 일생 목표

차이점

1.     뉴턴 존재 현실, 아인슈타인 생각지도 못한 현실 (미래 지향적)

2.     뉴턴과 아인슈타인의 후반 인생